船用锚机减速装置结构的改进探讨

船用锚机减速装置结构的改进探讨

周扬 张斌 杨阳 任永锋

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

摘要：文章简单介绍了船用锚机减速装置的结构，论述了锚机减速装置结构存在的不合理之处，并讨论了其结构的改进措施及效果，希望为船用锚机减速装置高效率发挥功效提供一些参考。

关键词：船用锚机；减速装置；行星齿轮

前言：锚机是船上主要用设备，可以确保船抛锚、起锚过程与预先策划路径无偏差。减速装置是锚机的核心装置，可以确保锚机高效率运作。在造船工艺不断升级的背景下，船用锚机减速装置面临的要求也愈发严格，现有锚机减速装置的弊端日益显现，如行星齿轮磨损严重、噪声大、使用年限短等。上述现象的出现，与锚机减速装置结构不合理具有较大关系。因此，探讨锚机减速装置结构的改进具有非常重要的意义。

1 船用锚机减速装置的结构

锚机包括传动装置、动力装置、控制装置、刹车系统、支撑固定装置、减速装置几个部分。其中减速装置主要以L型布置在锚机左侧或者以R型布置在锚机右侧。减速器输入轴转动经齿式联轴器带动，动力由电机提供。随后经多级减速从第三根轴输出。减速器输出轴端安装有开式小齿轮，开式小齿轮可以带动滚筒开式大齿轮转动，驱动绳进出卷筒可靠转动。

从减速装置结构组成来看，减速装置为弧面蜗杆－涡轮+2K-H行星齿轮二级传动方式。其中弧面蜗杆位于减速装置下箱体内部，且安装有电动机、弹性联轴器，两者经蜗杆轴连接；涡轮在减速装置内垂直布置，包括齿圈、轮壳两个部分，两者经涡轮轴与太阳轮连接；行星齿轮位于减速装置上箱体内部^[1]。

2 船用锚机减速装置结构的问题

2.1行星齿轮使用年限存在差距

因行星齿轮制造与行星架、轴承装配导致的误差，减速装置内行星齿轮荷载分配失衡，行星齿轮使用年限也出现了较大偏差，一个行星齿轮严重胶合磨损甚至折断，另外的行星齿轮完好运行情况频繁出现。加之荷载作用下中心太阳轮等构件已出现扭转变形，致使中心论轮齿工作齿廓之间存在间隙，而中心轮与行星齿轮啮合过盈，影响行星齿轮沿啮合齿宽荷载分布均匀性，加剧了行星齿轮使用年限偏差，给后期维修也提出了较大难题。

2.2行星齿轮磨损严重

因锚机减速装置采用箱体内二级传动方式，位于下箱体的第一级弧面蜗杆－涡轮传动为润滑条件较好的油池润滑模式，位于上箱体的第二级2K-H行星齿轮为飞溅润滑模式，润滑条件较差。加之涡轮旋转面、润滑油面呈平行分布，阻碍了飞溅润滑效果，最终导致减速装置整体润滑效果不佳，加剧行星齿轮磨损。而行星齿轮磨损问题的存在，也造成了减速装置运行中较大的安全问题。

2.3运行过程噪音大

在锚机传动系统中，减速装置作为核心传动环节，可以控制扭矩、转速的水平变化，但是当前减速装置运作期间振动幅度较大，造成了大量噪音，限制了其在船用锚机中的应用。减速装置振动噪音水平较高的主要原因是减速装置箱体输入转频、减速器一阶固有频率发生重合，具体表现为额定工况下减速装置输入轴转频一阶固有频率、输入轴引发激励频率重合引发装置共振，整个装置开始以一阶固有频率对应的振型进行振动响应。

3 船用锚机减速装置结构的改进措施及效果

3.1改进措施

3.1.1引入轮系弹性元件

为了确保锚机减速装置现有行星齿轮承受荷载均衡，可以将具有弹性变形特性的轮系弹性元件安装到内齿轮与机体、轴与孔结合位置。比如，将硬度适中的橡胶类、塑料类非金属弹性元件安装到内齿轮、机体联合面，同时将内齿轮左侧宽度加宽31mm，降低安装难度，便于低荷载下内齿轮与机体面之间荷载分布的均匀性，为行星齿轮提供一个负荷波动较小的作业环境。为了便于弹性元件安装，应进行箱体尺寸的适当调整^[2]。或者将行星齿轮改造为弹性轴，并将第三轴承座外环半径增加到R380mm，借助行星齿轮轴自身大幅度弹性变形协调箱体内全部行星齿轮之间的荷载分布，发挥行星齿轮弹性轴不易热膨胀、不易老化且承受离心力较大的优势，确保行星齿轮使用年限相当。

3.1.2细化装配操作

为避免制造、装配误差对行星齿轮之间荷载分布均匀性的不利影响，安装人员应在贯彻落实齿面良好啮合、啮合侧间隙固定、定位零件精准定位原则的同时，控制每一个浮动构件两个端面、相互毗邻的浮动零件之间轴向间隙一定，一般需要大于0.5mm，小于1.0mm，确保每一级行星齿轮传动无异常，行星齿轮端面无振动摇摆或者发热、噪声^[3]。

在轴承安装操作过程中，安装人员应按要求进行减速器传动部件的清洗、装配，避免不当敲击碰撞。同时安装人员可以利用喷雾润滑装置代替飞溅润滑装置，将一个喷头安装到锚机减速装置入口位置，构造循环润滑条件，避免润滑条件差导致的行星齿轮磨损加剧。

3.1.3提升箱体刚度

因锚机减速装置的主要结构件为上下箱体，而下箱体在运行过程中承受着大量的冲击振动载荷，因此，可以从减速装置下箱体刚度着手，进行整个减速装置系统刚度的提升。为了解改进前后锚机减速装置下箱体刚度，可以在Ansys软件结构模态分析功能支持下，构建一个减速器结构的三维实体模型。在划分网格时采用八节点四面体单元，将位移约束施加到减速装置下箱体支座螺栓孔位置，完成减速器下箱体螺栓孔内表面全部自由度的约束。根据约束条件不同结构减速装置下箱体对比，将下箱体底部两侧盖板横向延伸后，与箱体主壳体部分连接，达到有效提高减速装置下箱体刚度、降低固有振动噪声的目的。同时需要对减速装置下箱体盖板口进行改进，将盖板厚度增加到55mm，避免安装连接位置轴承座变形引发的减速装置箱体变形。

3.2改进效果

3.2.1动态性能改善效果

在Ansys软件结构模态分析模式下，对减速装置结构改进前后固有振动频率进行计算，得出结果如表1所示：

表1 减速装置结构改进前后固有振动频率

如表1所示，改进前减速装置系统最低阶固有频率为114Hz，改进后系统最低阶固有频率为127Hz，改进后系统最低阶固有频率显著提升，且与输入轴转频不再重合，有效解决了减速装置运行过程中振动噪音大的问题。

3.2.2改进后安装可行性

减速装置在装配调试后需要整体吊装到船用锚机机架上安装固定，因减速装置整体重量较大，必须实现对结构改进后减速装置起吊安全性进行剖析。若减速装置总重量为160kN，吊装时吊点仅在减速装置下箱体，将减速装置下箱体作为分析对象，起吊的固定支撑面为减速装置下箱体起吊孔4个凸起位置，约束方向向上，减速装置总重量作用方向向下，经cosmos软件模拟结构改进后减速装置并进行计算校核。在减速装置结构用材料为普通碳钢时，其主要参数如表2所示，根据表2划分96521个单元数，节点数量为178211个。

表2 减速装置结构用材料参数

通过模拟校核，得出起吊位置最大应力为3.101×10⁷N/m²，最小安全系数为7.0，符合船用锚机减速装置安全起吊要求。

总结：

综上所述，作为锚机上不可或缺的部件，减速装置直接影响着大扭矩、宽传动比电机功率传递效果。针对现有锚机减速装置存在的行星齿轮年限不一、磨损加剧、噪声大等问题，技改人员应在细化装配操作的同时，引入弹性元件，增加下箱体刚度，从根本上解决问题，确保减速装置稳定运行。

参考文献：

1. 尹华,夏增金.双辊压榨洗浆机电机减速机传动结构及特点[J].纸和造纸,2019(04):7-10.

2. 陈芳.基于某型电动舵机减速装置的一次性机械设计理念及实践[J].粘接,2021(02):130-133.

3. 刘永平,魏凌强,魏永峭,李自军.行星齿轮传动系统的降噪研究及参数优化[J].机械设计与制造,2022(02):203-208.